鄭 凱，張亞武，樓 勇，Casper Vogt-Svendsen，許立剛，姜澤界，曾 輝，顧希明，李永耀，張忠良

（1.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761；2.華東天荒坪抽水蓄能有限責(zé)任公司，浙江省湖州市 313302；3.挪威睿博有限公司，挪威 Kjeller；4.杭州睿博水電科技有限公司，浙江省杭州市 311215）

天荒坪抽水蓄能電站球閥軸承異常磨損分析及建議改造方案

鄭 凱1，張亞武1，樓 勇2，Casper Vogt-Svendsen3，許立剛4，姜澤界2，曾 輝2，顧希明2，李永耀4，張忠良4

（1.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761；2.華東天荒坪抽水蓄能有限責(zé)任公司，浙江省湖州市 313302；3.挪威睿博有限公司，挪威 Kjeller；4.杭州睿博水電科技有限公司，浙江省杭州市 311215）

針對(duì)天荒坪進(jìn)水球閥出現(xiàn)軸承鋼套異常磨損的問(wèn)題，分析其發(fā)生該異常磨損的原因，提出可行的處置方案并進(jìn)行分析比較，最后篩選出較優(yōu)的建議改造方案，同時(shí)對(duì)該處理方案需要注意的事項(xiàng)提出了建議。

水電站；進(jìn)水球閥；軸承

0 引言

進(jìn)水球閥是抽水蓄能電站的重要設(shè)備，其運(yùn)行狀況的優(yōu)劣對(duì)整個(gè)電站機(jī)組的安全運(yùn)行有著重要的影響，而作為在運(yùn)行中承受力最大的球閥軸承成為球閥發(fā)生故障最多的部件，本文通過(guò)對(duì)天荒坪進(jìn)水球閥軸承異常磨損的深入分析并提出相應(yīng)的改造方案，為蓄能電站進(jìn)水球閥的類(lèi)似故障處理提供借鑒。

1 工程概述

天荒坪電站共安裝 6臺(tái)通流直徑為 2m的球閥，其設(shè)計(jì)壓力為 887m水柱。自運(yùn)行以來(lái)每臺(tái)球閥的開(kāi)關(guān)次數(shù)已超過(guò)1萬(wàn)次。近年來(lái)，由于多臺(tái)球閥的軸承蓋和壓圈處均出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，經(jīng)拆卸軸承蓋檢查后發(fā)現(xiàn)兩側(cè)軸承鋼套（見(jiàn)圖1序號(hào)3）與閥體接觸環(huán)面（直徑Ф820mm）出現(xiàn)不同程度的磨損，并在上游側(cè)出現(xiàn)了間隙（見(jiàn)圖2）。磨損使得原2道徑向安裝的密封圈（見(jiàn)圖1序號(hào)9）失效。運(yùn)行單位及時(shí)將該2道密封采用1道軸承端蓋壓緊面上的O形密封圈代替，有效地解決了軸端蓋漏水的問(wèn)題。但由于磨損也導(dǎo)致了閥軸在關(guān)閉位置時(shí)由于上游水壓的作用產(chǎn)生水平方向上向下游側(cè)移動(dòng)，使軸承主密封U形密封圈（見(jiàn)圖1序號(hào)8）安裝腔尺寸發(fā)生了變化。雖已對(duì)U形密封圈進(jìn)行了數(shù)次更換但收效不大，無(wú)法從根本上解決軸承壓圈處的漏水問(wèn)題，且隨著運(yùn)行次數(shù)的增加，漏水量有增大的趨勢(shì)。為此，運(yùn)行單位也采取了臨時(shí)性消缺措施，于2012年在軸承鋼套與閥體軸承孔之間設(shè)置了6個(gè)20mm的圓柱銷(xiāo)，以限制運(yùn)行時(shí)軸承鋼套與閥體接觸環(huán)面產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)在新的軸承蓋上做出偏心結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)閥軸實(shí)際的位置。在設(shè)置圓柱銷(xiāo)后，電站對(duì)其磨損情況進(jìn)行了進(jìn)一步的檢查，檢查發(fā)現(xiàn)該處的磨損沒(méi)有進(jìn)一步的擴(kuò)展。

雖然磨損沒(méi)有進(jìn)一步擴(kuò)展，但已磨損的區(qū)域已經(jīng)改變了球閥工作密封的投退距離，2號(hào)球閥在球閥檢修密封投入、工作密封退出及壓力鋼管充水情況下測(cè)量得到工作密封環(huán)與中間環(huán)圓周間隙為（8個(gè)測(cè)點(diǎn) mm）：1.35、1.30、1.0、0.49、0.30、0.80、1.65、1.61，其最小間隙為0.30mm，而隨著機(jī)組的運(yùn)行，序6軸套與序5軸襯間會(huì)出現(xiàn)正常的磨損，而該磨損會(huì)導(dǎo)致上述間隙值進(jìn)一步減少。其后果是安裝于活門(mén)上的工作密封與中間環(huán)頭部干涉，導(dǎo)致密封環(huán)的損傷。

該磨損使活門(mén)上密封環(huán)的位置發(fā)生了改變，這種改變會(huì)影響球閥密封的效果，將導(dǎo)致球閥在全關(guān)時(shí)的漏水量增加，也會(huì)使密封更容易損壞。

由于臨時(shí)性的消缺措施沒(méi)有修正軸承的位置，因此球閥是在非正常的狀態(tài)下工作，同時(shí)由于6個(gè)圓柱銷(xiāo)的存在，軸承鋼套拆卸會(huì)比較困難。如果需要更換球閥軸襯，實(shí)際工作中會(huì)導(dǎo)致檢修工作時(shí)間的不可控。

基于上述原因，需要找出造成軸承鋼套與軸承孔異常磨損的原因，并提出從根本上解決上述問(wèn)題的解決方案。

圖1 球閥軸承簡(jiǎn)圖Fig.1 Ball bearing diagram

圖2 軸承鋼套磨損情況Fig.2 Bearing steel bushing wear

2 軸承異常磨損原因分析

通過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)，在球閥關(guān)閉檢修密封投入的情況下，軸承鋼套和閥體接觸環(huán)面異常磨損后出現(xiàn)的最大間隙位于上游側(cè)水平位置。因此可以認(rèn)為，異常磨損發(fā)生在全關(guān)位置或接近全關(guān)的位置。基于這種分析，在對(duì)球閥的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析時(shí)，考慮了以下幾種工況：

（1）進(jìn)水球閥關(guān)閉。

（2）進(jìn)水球閥平壓。

（3）進(jìn)水球閥平壓后開(kāi)始開(kāi)啟。

制造廠在設(shè)計(jì)時(shí)，由于軸承鋼套外徑較大，考慮的是采用摩擦阻力使軸承鋼套保持不動(dòng)，因此有必要對(duì)摩擦力矩進(jìn)行分析，以評(píng)估該設(shè)計(jì)在天荒坪電站進(jìn)水球閥上是否合適。

2.1 進(jìn)水球閥關(guān)閉工況分析

球閥活門(mén)處于全關(guān)位置，工作密封投入，閥體內(nèi)部及活門(mén)上游側(cè)（止于工作密封）承受6.673MPa的水壓，活門(mén)下游側(cè)承受0.687MPa的水壓。

通過(guò)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，在閥門(mén)全關(guān)時(shí)，其軸襯的最高應(yīng)力為125.3MPa，軸襯材料選用的是DEVA BM11 CuSnPb8213/8E，其滑動(dòng)層的抗壓強(qiáng)度為320MPa，可以滿(mǎn)足使用要求。由于此工況為軸襯最大的受力工況，因此在后面的計(jì)算中將不再關(guān)注該應(yīng)力。

在閥門(mén)全關(guān)時(shí)的軸襯位置，活門(mén)沿水流方向的最大位移分別為-0.87mm和-1.02mm。因此在軸襯位置，閥軸的變形量為0.15mm，而軸襯的尺寸為680（+0.125/0）mm，閥軸的尺寸為680（-0.29/0.37）mm，其最小間隙為0.29mm，遠(yuǎn)大于閥軸的變形量，由于活門(mén)在全關(guān)時(shí)承受最大的水推力，閥軸在這個(gè)工況下變形最大。因此在后面的計(jì)算中可以忽略閥軸變形的影響。

在全關(guān)位置時(shí)，閥體最大的向內(nèi)變形尺寸為0.28mm，活門(mén)最小的向內(nèi)變形為0.36mm。因此在此工況下，軸承鋼套與活門(mén)之間的軸向間隙略有增加。

從以上分析可知，在這種工況下，軸承鋼套應(yīng)不會(huì)出現(xiàn)異常磨損。

2.2 進(jìn)水球閥發(fā)電工況下靜水開(kāi)啟，平壓情況應(yīng)力變形分析

球閥活門(mén)處于全關(guān)位置，旁通閥打開(kāi)，工作密封脫開(kāi)，閥體內(nèi)部及活門(mén)均承受6.673MPa的水壓。

按照設(shè)計(jì)圖，活門(mén)與推力墊圈之間的間隙為0.2～0.4mm，分析時(shí)設(shè)定其間隙為0.2mm。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，在平壓時(shí)0.2mm的軸向間隙完全消失，墊圈表面的壓應(yīng)力最高為7MPa。

在這種工況下，軸承孔直徑沿水平方向縮小0.14mm，在垂直方向增大0.56mm。

如果墊圈與活門(mén)接觸，當(dāng)活門(mén)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，軸承鋼套上就有一個(gè)與活門(mén)轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同的力矩，可能帶動(dòng)軸承鋼套旋轉(zhuǎn)。

同時(shí)由于閥體在承受內(nèi)壓后的變形，閥體上的軸承孔尺寸變大，導(dǎo)致軸承鋼套與閥體軸孔的配合變松，這也可能是導(dǎo)致軸承鋼套異常磨損的潛在原因。

2.3 發(fā)電工況下靜水開(kāi)啟，開(kāi)始開(kāi)啟的工況應(yīng)力變形分析

球閥活門(mén)處于全關(guān)位置，旁通閥打開(kāi)，工作密封脫開(kāi)，閥體內(nèi)部及活門(mén)均承受6.673MPa的水壓。按開(kāi)啟時(shí)力矩平衡考慮，接力器的操作力為606473N。

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，在開(kāi)始開(kāi)啟時(shí)，軸承底部區(qū)域0.2mm的軸向間隙完全消失，墊圈表面的壓應(yīng)力最高為12MPa。

軸承孔直徑沿水平方向縮小0.15mm，在垂直方向增大0.59mm。

可以發(fā)現(xiàn)，這個(gè)工況存在著與第二種工況相近的問(wèn)題。

2.4 摩擦力矩分析

圖1中序3軸承鋼套外徑為820mm，序5軸襯內(nèi)徑為680mm。軸承鋼套與閥體的材料均為鋼，按照文獻(xiàn)[1]中第29篇摩擦學(xué)設(shè)計(jì)中的推薦，鋼與鋼之間的靜摩擦摩擦系數(shù)為0.15，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.10。序6軸襯材料選用的是DEVA BM11 CuSnPb8213/8E，按照FEDERAL MOGUL公司樣本的推薦，結(jié)合不同的工作工況，其摩擦系數(shù)的變化范圍是 0.11～0.18。

假定序3軸承鋼套與閥體之間的摩擦系數(shù)為0.1，外圈不轉(zhuǎn)動(dòng)，按照力矩平衡方程，序5軸襯與序6軸套之間的摩擦系數(shù)不得大于0.12。如果軸承鋼套與閥體之間的摩擦系數(shù)按中間值0.125考慮，則序6軸襯與序6軸套之間的摩擦系數(shù)不得大于0.15。如軸承鋼套與閥體間的摩擦系數(shù)按0.15考慮，則序6軸襯與序6軸套之間的摩擦系數(shù)不得大于0.18。

通過(guò)上面的有限元分析，可以看到序3軸承鋼套與閥體之間存在較大的間隙。該區(qū)域接觸表面的粗糙度較好且達(dá)到Ra3.2，而裝配時(shí)該間隙采用油脂潤(rùn)滑以利于裝配，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)該區(qū)域充滿(mǎn)水，潤(rùn)滑條件較好。因此可以認(rèn)為軸承鋼套與閥體之間的摩擦系數(shù)較小，該摩擦系數(shù)不足以可靠地使軸承鋼套與閥體保持不轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 大修可選方案

針對(duì)天荒坪軸承出現(xiàn)的問(wèn)題，必須采取措施以限制軸承鋼套的轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)由于閥體軸孔已經(jīng)磨損，因此必須對(duì)球閥進(jìn)行大修，以解決上述問(wèn)題。對(duì)此，建議采用以下兩種方案。

（1）方案一：為限制轉(zhuǎn)動(dòng)，可將軸承鋼套和軸承蓋做成一體，如圖3所示。由于閥體上軸承孔已經(jīng)磨損，其軸承孔直徑由820mm擴(kuò)大為835mm（見(jiàn)圖3）。

（2）方案二：仍按原方案將軸承鋼套和軸承蓋做成分開(kāi)的兩個(gè)零件，但軸承鋼套和軸承蓋之間裝入平鍵限制軸承鋼套的轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖4所示。由于閥體上軸承孔已經(jīng)磨損，其軸承孔外徑由820mm擴(kuò)大為835mm（見(jiàn)圖4）。

圖3 軸承大修方案一Fig.3 Bearing overhaul plan 1

圖4 軸承大修方案二Fig.4 Bearing overhaul plan 2

4 方案比較

由于閥體上軸承孔已經(jīng)磨損，則需要加大軸承孔的尺寸，而且對(duì)于方案一來(lái)說(shuō)，軸承蓋與軸承鋼套連接成一體，上述方案改變了閥體和活門(mén)的受力情況。因此需要對(duì)閥體和活門(mén)的強(qiáng)度做出分析。

閥體和活門(mén)按以下幾種工況進(jìn)行分析：

（1）活門(mén)處于關(guān)閉位置，工作密封投入。

（2）上下游平壓，活門(mén)處于關(guān)閉位置，工作密封脫開(kāi)，接力器加壓（閥門(mén)開(kāi)始開(kāi)啟的工況）。

（3）制造廠在設(shè)計(jì)壓力下進(jìn)行試驗(yàn)的工況。

（4）制造廠在試驗(yàn)壓力下進(jìn)行試驗(yàn)的工況。

（5）檢修密封投入時(shí)的工況，對(duì)于方案二，考慮投入檢修密封后，拆去軸承蓋的情況。

4.1 強(qiáng)度比較分析

通過(guò)有限元分析，發(fā)現(xiàn)上述兩種方案各工況下的應(yīng)力水平見(jiàn)表1。

表1 不同工況下的應(yīng)力水平Tab.1 The Stress level under different working conditions

從上述兩種方案有限元分析的結(jié)果可知，閥體的應(yīng)力水平較低，活門(mén)的峰值應(yīng)力較高，但仍在ASME VIII允許的范圍。因此，上述兩種軸承大修方案，從應(yīng)力的角度均能滿(mǎn)足使用要求。

4.2 方案綜合比較分析

雖然從應(yīng)力角度看，上述兩種改造方案均能滿(mǎn)足要求，但從疲勞壽命的角度看，活門(mén)的應(yīng)力水平較高。按照ASME標(biāo)準(zhǔn)，活門(mén)的壽命與閥體相比，其壽命更短。因此，為保證閥門(mén)在設(shè)計(jì)上有較長(zhǎng)的壽命，則首先需要考慮活門(mén)有較長(zhǎng)的使用壽命，從這個(gè)角度看，方案二活門(mén)的應(yīng)力水平較低，方案二優(yōu)于方案一。

從電站日常維護(hù)的角度看，方案一如果軸承鋼套上的密封損傷造成漏水，必須需要通過(guò)引水鋼套排水才能檢修。而方案二的密封設(shè)置在軸承蓋上，如果該密封損傷，則只需要通過(guò)投入檢修密封和尾水閘門(mén)，排空閥體內(nèi)的水就可以檢修。

從以上兩點(diǎn)看，方案二優(yōu)于方案一，如果需要對(duì)軸承進(jìn)行大修，建議采用方案二。

5 修復(fù)方案執(zhí)行時(shí)的關(guān)注點(diǎn)

為保證修復(fù)后的球閥能滿(mǎn)足各種運(yùn)行工況的要求，對(duì)球閥的修復(fù)，需要關(guān)注以下幾點(diǎn)：

（1）在球閥拆去密封裝配和軸承裝配后，必須對(duì)球閥高應(yīng)力區(qū)域（閥軸根部及閥體上分半焊縫）進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，以消除潛在的缺陷。

（2）需采用工裝保證活門(mén)和閥體上工作密封安裝環(huán)面保持同心，同時(shí)按照設(shè)計(jì)值調(diào)整活門(mén)與閥體的相對(duì)位置。測(cè)量檢修密封側(cè)活門(mén)與閥體的同軸度，以及密封環(huán)安裝面與閥體法蘭平面的距離，檢驗(yàn)活門(mén)與閥體的相對(duì)位置。

（3）調(diào)整閥體與活門(mén)的相對(duì)位置，使閥體軸承孔與閥軸保持同心，以閥軸的中心為基準(zhǔn)進(jìn)行軸孔的加工。

（4）加工后必須進(jìn)行壓力試驗(yàn)、漏水試驗(yàn)和動(dòng)作試驗(yàn)，以驗(yàn)證產(chǎn)品是否滿(mǎn)足要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

在設(shè)備的運(yùn)行過(guò)程中，與其他部件相比，進(jìn)水球閥的軸承是比較容易產(chǎn)生問(wèn)題的部件。因此在設(shè)計(jì)階段，必須充分考慮球閥的受力情況、軸承的應(yīng)力水平、閥軸的應(yīng)力水平、軸襯的類(lèi)型等因素，避免在運(yùn)行階段帶來(lái)潛在的風(fēng)險(xiǎn)。

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Bearing Abnormal Abrasion Analysis and Repair Soluation for Main Inlet Valve of Tianhuangping Pump Storage Power Station

ZHENG Kai1，ZHANG Yawu1，LOU Yong2，Casper Vogt-Svendsen3，XU Ligang4，JIANG Zejie2，ZENG Hui2，GU Ximing2，LI Yongyao4，ZHANG Zhongliang4
（1.State Grid XinYuan Company LTD，Beijing 100761，China；2.North China Tian Huangping Pumped Storage Power Station Company LTD，Tianhuangping 313302；Norway Rainpower ASA，Norway Kjeller； Rainpower Hangzhou company LTD，Hangzhou 311215）

This article analyze the abnormal abrasion on bearing of main inlet valve for Tianhuangping Pump Storage Power Station.Two repair proposals to be raised and analised.The better solution has been selected based on analysis and cautions has been given for fixed solution on workshop.

hydro Power Station；main Inlet Valve； bearing

TV738 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 學(xué)科代碼：570.3520 DOI：10.3969/j.issn.2096-093X.2016.06.004

2016-8-23

鄭 凱（1982—），男，本科，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站水力機(jī)械設(shè)備技術(shù)管理。E-mail：18032155099@189.cn

張亞武（1973—），男，本科，高級(jí)工程師，水電站（含抽蓄）運(yùn)維檢修管理。E-mail：yawu-zhang@sgxy.sgcc.com.cn

樓 勇（1973—），男，本科，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站水力機(jī)械設(shè)備技術(shù)管理。E-mail：louyong1109@126.com

Casper Vogt-Svendsen（1956—），男，挪威籍，碩士，機(jī)械工程科學(xué)研究，曾參與魯布革、天荒坪、三峽等項(xiàng)目的水電建設(shè)，主要研究方向：技術(shù)和風(fēng)險(xiǎn)控制的管理工作。

許立剛（1971—），男，本科，工程師，一直從事水電站進(jìn)水閥門(mén)設(shè)計(jì)。E-mail：roger71@qq.com

姜澤界（1981—），男，本科，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站水力機(jī)械設(shè)備運(yùn)維管理。E-mail：thppjeremy@126.com

曾 輝（1975—），男，本科，高級(jí)工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站水力機(jī)械設(shè)備技術(shù)管理。E-mail：thpyjbzh@163.com

顧希明（1982—），男，本科，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站水力機(jī)械設(shè)備運(yùn)維管理。E-mail：1924843474@qq.com

李永耀（1965—），男，本科，高級(jí)工程師，主要研究方向：水（泵）輪機(jī)研究設(shè)計(jì)工作。E-mail：yongyaoli@vip.qq.com

張忠良（1968—），男，本科，工程師，主要研究方向：水力設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)和市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)工作。E-mail：447253365@qq.com